Contribution of Diffused Er3+ Ions to Refractive Index of LiNbO3 Crystal and Relation of Li Out‐Diffusion to Er3+‐Diffusion Condition
本研究探讨了掺杂了Er3+离子的LiNbO3晶体对折射率的贡献以及锂元素(Li)外扩散与Er3+扩散条件之间的关系。研究涉及对LiNbO3晶体中Er3+离子的掺杂及其对晶体折射率的影响，同时考察了在不同的扩散条件下，如不同的温度、时间以及周围气氛（空气、湿氧、湿氩气）中，Li的外扩散行为。
LiNbO3是一种广泛应用于集成光学领域的材料，它结合了Er3+离子的激光特性与材料本身的优异性能。在集成光学中，改变材料的折射率是实现光波导和光调制等功能的关键。Er3+离子的掺杂能够通过改变材料内部的电子结构来改变折射率。在本研究中，通过在LiNbO3晶体上局部涂覆不同厚度（10、15或20纳米）的Er金属薄膜，并在1100°C或1130°C下退火60小时或100小时，考察了掺杂对晶体折射率的影响。
实验中采用测量临界角的方法在633、1311和1553nm波长下对晶体表面Er3+掺杂区域和未掺杂区域的普通折射率和非常规折射率进行了表征。研究发现Er3+掺杂对普通折射率的贡献在测量误差范围内，而对非常规折射率的贡献略超出测量误差范围。这意味着Er3+掺杂对普通折射率的影响可以忽略不计，但对非常规折射率有一定的影响。
另外，通过已知的双折射性，评估了Er3+掺杂区域和未掺杂区域表面的Li2O含量。将退火处理前后的Li2O含量数据进行比较，可确定退火引起的Li2O损失，从而识别出退火条件对Li外扩散的影响。结果显示，扩散环境的温度并非导致Li2O外扩散的关键因素。
LiNbO3晶体中Li的外扩散问题是一个复杂的过程，受多个因素影响，如温度、时间、气氛和晶体的初始成分等。扩散条件，包括扩散气氛、温度和时间，被认为是影响Li外扩散的主要因素。本研究指出，Li的外扩散与Er3+的扩散条件有直接关系，而扩散温度并不是影响Li外扩散的决定性因素。这样的研究结果对于理解和控制LiNbO3晶体的性能以及提高集成光电器件的性能具有重要的指导意义。
该研究的进行，一方面揭示了稀土元素Er3+掺杂对LiNbO3晶体折射率的影响程度，另一方面提供了深入理解Li在晶体中的扩散行为的视角，为利用LiNbO3作为集成光学材料的器件设计和性能优化提供了科学依据。此外，研究结果对其他掺杂元素对LiNbO3晶体性质影响的研究也有借鉴意义，为材料科学与光电子学领域的研究与实践提供了新的知识与数据。
